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PERUMIN 31 CONVENCIÓN MINERA
ENCUENTRO TECNOLOGÍA E INFORMACIÓN
TEMA
“APLICACIÓN DEL MÉTODO DE DEFORMACIÓN CONTROLADA
EN LA EJECUCIÓN DE LABORES DE AVANCE EN CMHSA”.
“APPLICATION OF THE METHOD OF CONTROLLED
DEFORMATION PERFORMANCE OF WORK IN PROGRESS IN
CMHSA”
BLOQUE: OPERACIÓN DE MINAS
ING. HANRY GUILLÉN VILCA
ASISTENTE SUPERINTENDENTE DE GEOMECÁNICA
[email protected]
[email protected]
[email protected]
1
APLICACIÓN DEL MÉTODO DE DEFORMACIÓN CONTROLADA EN LA EJECUCIÓN DE
LABORES DE AVANCE EN CMHSA.
“APPLICATION OF THE METHOD OF CONTROLLED DEFORMATION PERFORMANCE OF
WORK IN PROGRESS IN CMHSA”
AUTOR
ING. HANRY GUILLÉN VILCA
ASISTENTE SUPERINTENDENTE DE GEOMECÁNICA
[email protected]
[email protected]
RESUMEN
Cuando se ejecuta una obra subterránea, uno se
encuentra, enfrentándose y teniendo que analizar,
interpretar y resolver cual es la mejor “canalización”
de las tensiones generadas alrededor de la
excavación subterránea, lo que al final determina la
integridad y la vida útil de la excavación. Dicho
propósito se produce dependiendo de la
determinación de las tensiones en juego y de las
propiedades resistentes y de deformación
del
terreno, para lo cual resulta imprescindible conocer:
a) El medio en el que van a tener lugar las
operaciones; b) La acción ejercida para efectuar la
excavación y c) La reacción esperada tras la
excavación.
Se deduce, por tanto, que la formación de un efecto
arco y su posición respecto a la cavidad (de la que
sabemos depende la estabilidad de la excavación a
corto y largo plazo) está determinada por la calidad y
la magnitud de la respuesta de la deformación
(cambio de estado de tensiones) del medio a la
acción de la excavación (respuesta).
En CMHSA en el ejercicio Octubre 2011 a Mayo
2012, se realizaron estudios de: a) DuctibilidadTenacidad, b) Convergencia – Deformación, a fin de
entender las propiedades post fisuración del
shotcrete y sus efectos en el sostenimiento de una
excavación subterránea, lo que resultó una
-3
deformación=8.34*10
mts, para agrietamientos
menores a 33 mm.
Ello posibilitó que a la fecha en CMHSA no se esté
utilizando la malla electrosoldada habiéndose
incremento los niveles de seguridad (FS=1.58) y
mejorado el ritmo de avance hasta un 42%.
ABSTRACT
When running an underground works, one finds, face
and having to analyze, interpret and solve what is the
best "channeling" of heightened tensions around the
underground excavation, which ultimately determines
the integrity and life excavation. That purpose is
produced depending on the determination of the
stresses involved and resistant properties and ground
deformation, which is essential to know: a) The
environment in which they will take place operations;
b) The action exerted to effect excavation c) The
expected
reaction
after
excavation.
It follows therefore that the effect formation of an arc
and its position relative to the cavity (which depends
know excavation stability short and long term) is
determined by the quality and magnitude of the
response of the deformation (change of state of
stress) of the medium to the action of the excavation
(response).
In CMHSA exercise in October 2011 to May 2012,
studies were conducted: a) Ductility, Toughness, b)
Convergence - Deformation, akin to understand the
properties of shotcrete post cracking and its effects
on the sustainability of an underground excavation,
which resulting deformation = 8.34 * 10-3 m, for
cracks
less
than
33
mm.
1
This made it possible to date CMHSA not being
used the wire mesh having increased levels of safety
(FS = 1.58) and improved the growth rate to 42%.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1
CMHSA = Consorcio Minero Horizonte S.A
2
GRÁFICO N° 02
En el seguimiento y evaluación a la ejecución de
nuestras labores de AVANCE (SET-11 a OCTUBRE12), se determinó que el ritmo de avance promedio
respondía a desviaciones atribuibles al:
1) Proceso de minado: El 74% de la criticidad de los
avances se deben a debilidades en las operaciones
unitarias de: Sostenimiento, Perforación y Voladura,
los mismos que están acompañados de altos niveles
de RIESGOS (aplastamiento en el proceso de
instalación
de
malla
electrosoldada,
sobre
excavación y sobre rotura de los frentes), debilidades
que se aprecian en el GRÁFICO N° 01 y 03.
GRÁFICO N° 01:
INCIDENCIA DE LOS CICLOS DE MINADO EN LAS CAUSAS ATRIBUIBLES A
BAJOS NIVELES DE AVANCE
100%
100
90%
90
80%
80
70%
70
60%
60
50%
50
40%
40
30%
30
20%
INCIDENCIA
90
80
80
70
70
60
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
%
100
90
10
0
0
ENERGÍA DE
ABSORCIÓN
SHOT.
INSTALACIÓN DE
MALLA ELECT.
RESISTENCIA
TEMPRANA
SHOT.
ESPESOR DE
SHOTCRETE
FALTA DE
DESATADO
GRÁFICO N° 02: DESCRIBE LAS CAUSAS RAICES DE DEFICIENCIAS
EN EL SOSTENIMIENTO CON SHOTCRETE V.H
 El número de INCIDENTES generados en el
proceso de sostenimiento de labores de avance,
determinan que el 38% y 33% que en suma
totalizan el 71% de los casos, responden a
PERMITIR que el personal efectúe trabajos de
instalación de malla electrosoldada dentro de la
LÍNEA DE FUEGO de la zona inestable, conforme
se describe en la TABLA N° 01:
10
SOSTENIMIENTO
PERFORACIÓN
VOLADURA
LIMPIEZA
FALLA EQUIPOS
PRIORIZACIÓN
42%
21%
11%
9%
10%
7%
42
63
74
83
93
100
0
GRÁFICO N° 01: DESCRIBE LAS CAUSAS RAICES DEL BAJO NIVEL DE AVANCES EN CMHSA.
El GRÁFICO N° 02, muestra que el nivel de criticidad
de las labores de desarrollo es atribuible al ciclo de
sostenimiento de los frentes de avance con el mayor
índice (42%) los que se atribuían a: 1) Niveles bajos
2
de Energía de Absorción del SHFR
Joules; 2) Proceso lento de instalación de la malla
; 3) Baja Resistencia a la Compresión
3
Temprana del SHFR
4) Sub
dimensionamiento del espesor del shotcretenie y 5)
4
Presencia de agrietamientos o “Craquelamiento”
del SHFR debido al sostenimiento
inoportuno de las labores (sin tener en cuenta el
tiempo de autosoporte) y comportamientos impropios
de Post Fisuración del SHFR atribuible a la escasa
de densidad de las fibras, etc).
Al ser una mina que migró del minado convencional
al mecanizado, el segundo ciclo crítico constituyó la
perforación y sostenimiento con “Jumbos o bolters”
(21%), imputable entre otros al bajo nivel de
desempeño de competencias de los operadores de
jumbo
GRÁFICO N° 03
FACTORES CRÍTICOS DEL SOSTENIMIENTO CON SHFR - MALLA
200
100
180
90
160
80
140
70
120
60
100
50
80
40
60
30
40
20
20
%
0%
100
20
10%
CASOS
CAUSAS ATRIBUIBLES A BAJOS NIVELES DE AVANCE
POR SOSTENIMIENTO
10
0
0
NIVEL ALTO DE EXPOSICIÓN AGRIETAMIENTO TEMPRANO DÉFICIT DE ENERGÍA DE ALTOS ÍNDICES DE REBOTE EN GENERACIÓN DE RÓTULAS
AL RIESGO DEL PERSONAL AL DEL SHFR AL COLOCAR LA ABSORCIÓN DEL SHFR-MALLA EL COLOCADO DE LA 2DA.
POR LA INSTALACIÓN DE
COLOCAR LA MALLA
MALLA
CAPA
"COLAS DE PESCADO"
FACTORES CRÍTICOS DE RIESGO
GENERACIÓN DE ZONAS
OCULTAS DETRÁS DE LA
MALLA
INCIDENCIA (%)
GRÁFICO N° 03: FACTORES RELIEVANTES DEL SOSTENIMIENTO CON MALLA.
TABLA N° 01
NATURALEZA DE INCIDENTE ASOCIADO
AL SOSTENIMIENTO DE LABORES DE
AVANCE
Por Desprendimiento de Rocas
Cortes
Por caída de Personas de otro nivel
Por Aplastamiento
Por Tránsito
TOTAL
N° DE EVENTOS POR PERÍODO DE ANÁLISIS
2009
2010
2011
2012
TOTAL
10
5
4
4
3
8
6
2
5
1
4
5
2
2
1
24
18
7
11
4
26
22
11
5
64
2
INCIDENCIA
37.50
28.13
10.94
17.19
6.25
FUENTE: Sistema SCOM
ELABORACIÓN: PROPIA
2) Desaprovechamiento de las propiedades post
fisuración del SHFR (Ductilidad del SFR).- El nivel de
deformación del macizo rocoso es controlado por
sistemas de sostenimiento que tengan propiedades
favorables de absorción energía para el caso del
SHFR en CMH se utilizaban fibras metálicas con
relación de forma
y dosificación de 20 Kg/m³
que en promedio arrojaron:
2
Propiedades de Ductilidad y Tenacidad del SHFR (Shotcrete
Fibro Reforzado)
3
Pruebas tomadas a 1.5 horas posteriores al proceso de lanzado
del SFR, cuya restricción fundamental era el ingreso de personal o
equipo al frente de trabajo hasta por 3.50 horas posteriores del
lanzado.
4
Fisuración progresiva del SHFR a diversas solicitaciones de
carga (flexión, corte y torsión)
a) Para el sostenimiento del SHFR sin malla una
energía de absorción en promedio de 675 Joules con
un
, y a nivel de edades:
3
GRÁFICO N° 03-D
NIVELES DE RESPUESTA DEL SHFR A LA PRUEBA
ANCHO DE GRIETAS VS ENERGÍA DE ABSORCIÓN
Tal como podemos apreciar en los GRÁFICOS 03-A
y GRÁFICO 03-B.
1400
ENERGÍA (Joules)
1200
GRÁFICO N° 03-A
ABSORCION DE ENERGIA PROMEDIO 2010 - 2011
1000
800
600
400
200
0
1.10
2.20
3.30
4.40
5.50
6.60
7.70
8.80
9.90
11.00
12.10
13.20
14.30
15.40
16.50
17.60
18.70
19.80
20.90
22.00
23.10
24.20
25.30
26.40
27.50
28.60
29.70
30.80
31.90
33.00
34.10
0
1600
ANCHO DE GRIETAS (mm)
1400
PRUEBA 01
1200
PRUEBA 02
PRUEBA 03
DUPONT - VANDERVALLE
Joules
1000
800
600
400
OBJETIVOS
200
0
20 kg/m3
ENE.
FEB.
MAR.
ABR.
MAY.
JUN.
JUL.
AGO.
SET.
OCT.
NOV.
DIC
774
541
606
758
582
693
637
669
723
635
705
777
1.
FUENTE: SISTEMA SCOMM - CMHSA
ELABORACIÓN: Propia.
GRÀFICO N° 03-B
2.
TENACIDAD DEL SHOTCRETE (45/35) - DOSIFICACIÓN 20 KG/m³
28 Días
14 Días
07 Dias
50
45
E(07) = 326 JOULES
E(14) = 550 JOULES
E(28) = 686 JOULES
40
35
F
U 30
E
R
Z 25
A
(
3.
)
K 20
N
15
10
5
30:00
29:15
28:30
27:45
27:00
26:15
25:30
24:45
24:00
23:15
22:30
21:45
21:00
20:15
19:30
18:45
18:00
17:15
16:30
15:45
15:00
14:15
13:30
12:45
12:00
11:15
10:30
09:45
09:00
08:15
07:30
06:45
06:00
05:15
04:30
03:45
03:00
02:15
01:30
00:45
00:00
0
Evaluar el comportamiento tenso-deformacional
del macizo rocoso de CMHSA y determinar el
nivel de implicancia en el comportamiento del
sostenimiento aplicado.
Determinar mediante la Curva Característica del
Terreno
y
Curva
Característica
del
Sostenimiento, los tiempos óptimos de
instalación del sostenimiento que hagan viable
la optimización del ritmo de minado de nuestras
labores de avance en CMHSA.
Determinar la posibilidad de REGULAR la
RIGIDEZ del SOSTENIMIENTO en la zona de
avance para averiguar hasta qué punto es
factible controlar la respuesta de deformación de
la cavidad.
DEFORMACIÓN (mm)
FUENTE: INFORMES S.I DE GEOMECÁNICA - LABORATORIO CMHSA
ELABORACIÓN: PROPIA
b) Para sostenimiento con SHFR+Malla, se logró una
energía de absorción equivalente a 716 Joules que
significa TAN SÓLO un incremento del 5% en
relación a las propiedades de ductilidad y tenacidad,
para un nivel de agrietamiento de 18 mm, que en
relación a los “craquelamientos” o fisuramientos
5
medidos en campo significan el
, lo que se puede visualizar en los
(GRÁFICO N° 03-C y GRÁFICO N° 03-D), muy por
debajo a los planteados en el Modelos propuesto por
Dupont y Vandervalle.
CONCEPTUALIZACIÓN Y DISEÑO
La necesidad de disponer de un sostenimiento en
una labor subterránea como Galería y/o Rampa,
conlleva a un problema estáticamente indeterminado
como resultado de las interacciones CargaDeformaciones que interactúan entre el terreno y el
sostenimiento, los mismos que se esquematizan en
cuatro secciones significativas (ver ESQUEMA N°
01).
GRÀFICO N° 03-C
ENSAYO DE TENACIDAD SH(02") + MALLA + SH(01")
DOSIFICACIÓN 20 Kg/ m³
60
50
F
U 40
E
R
Z 30
A
ENERGÍA DE ABSORCIÓN
E(SHOT+MALLA) =716 JOULES
E(SHOT)
=678 JOULES
(
)
K 20
N
10
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
DEFORMACIÓN (mm)
5
Estos craquelamientos o fisuraciones del SHFR fueron mayores
inclusive a la longitud de la fibra en el proceso de post fisuración.
ANÁLISIS DE SECCIONES
4
 Lejos del frente (sección A-A´) ubicada sobre el
futuro contorno teórico de la labor donde actúa la
tensión (esta sección aún no se ha deformado),
de manera que el desplazamiento radial
de los
puntos de la sección teórica del túnel es nulo.
 Próxima al frente (sección B-B´) ya excavada y
muy próxima al frente, la tensión P o ha
desaparecido y el contorno de la labor ha
experimentado un desplazamiento hacia el interior
, en tal sentido, debe de existir alguna carga
ficticia
que permita igualar la deformación
ésta relación
constituye la denominada
presión y desplazamiento
dos curvas CC – CF.
comunes a las
“CURVA CARACTERÍSTICA del TERRENO”.
 Distancia conservadora al frente (sección C-C´)
Aquella zona considerada normal es donde se
coloca un determinado sostenimiento (bulones,
hormigón proyectado, cimbras, sostenimientos
continuos o una combinación de alguno de ellos)
que inmediatamente entrará en carga al menos
por dos razones: a) El progresivo alejamiento del
frente lo que supone la disminución virtual de la
carga
y por tanto un incremento de
deformación radial; b) Las deformaciones
diferidas de la roca al transcurrir del tiempo. En
primera
aproximación
el
revestimiento
reaccionará con una determinada rigidez
constante (K) frente a las deformaciones
impuestas (ver ESQUEMA N° 02).
Para una determinada curva CC el proyectista o
constructor puede optar por: 1) La instalación de un
sostenimiento muy próximo al frente
o lejos de
él
(ver ESQUEMA N° 03) y 2) Puede también
elegir
la
rigidez
del
sostenimiento
.
En principio cuanto más rígido sea un sostenimiento
y más próximo al frente se instale, mayor será la
presión de equilibrio que ha de soportar y menor el
desplazamiento radial o convergencia de la galería o
rampa.
El requerimiento mínimo de energía (Joules) del
sostenimiento a ser aplicado, está en función a
determinar cuánto es la energía de distorsión que el
terreno es posible que pueda almacenar (joules) una
vez excavado, para lo cual aplicamos y evaluamos el
criterio de Mohr-Coulomb mediante el siguiente
algoritmo.
(02)
Donde:
;
(03)
(04)
Teniendo en cuenta que dicho sostenimiento se
instala una vez que la roca se ha deformado una
magnitud
, la respuesta del revestimiento se
puede escribir:
(01)
Zona de Equilibrio El desplazamiento Ud
corresponde a una determinada presión virtual
sobre el túnel Pd, la ecuación N° 01 se denomina
CF “Curva de Confinamiento”. Finalmente roca –
sostenimiento alcanzarán una posición única de
equilibrio (sección D-D´) cuando se alcancen la
El Gráfico N° 04, nos muestra en función a los
6
diferentes rangos de profundidad H (mts) y RMR en
las que actualmente opera CMHSA, la existencia de
una energía mínima requerida por el terreno, en tal
razón, al estar las labores de CMHSA a
profundidades entre H=400-450mts., la energía de
sostenimiento mínima debe ser del orden de los 870
Joules.
6
RMR = Calidad del Macizo Rocoso
5
GRÁFICO N° 04
Rotura de Hoek y Brown en la determinación de la
8
CCT , ilustrado en el GRÁFICO N° 05-A.
ENERGÍA DE DISTORSIÓN DEL TERRENO (Joules) VS ALTURA
HIDROSTÁTICA (m) Y CALIDAD DEL MACIZO ROCOSO (RMR)
ENERGÍA (Joules)
3000
2500
(05)
2000
1500
1000
Donde:
500
0
300
350
400
450
500
550
600
650
PROFUNDIDAD A LA QUE SE ENCUENTRA LA EXCAVACIÓN (mts)
RMR = 25
RMR = 30
RMR = 35
RMR = 40
RMR = 45
= Desplazamiento del terreno a la distancia (d),
(mm).
= Desplazamiento radial elástico (mm).
La diferencia entre el GRÁFICO Nro. 04 y 03-B (870
Joules – 670 Joules) determinó que era imperativo
plantear en CMHSA modificaciones a los criterios
operacionales de sostenimiento con SHFR.
= Relación geométrica.
GRÁFICO N° 05
PERFIL DE DEFORMACIÓN LONGITUDINAL
Esta hipótesis implicó resolver, ¿cuál era el PUNTO
DE EQUILIBRIO ÓPTIMO de instalación del
sostenimiento?, para las diferentes condiciones de
carga-deformación. Ésta solución analítica del punto
de equilibrio, responde al análisis de las variables
definidas en ESQUEMA N° 04, cuya resolución
mediante la metodología de PANET se muestra
como una aplicación en el presente estudio.
40.00
35.00
30.00
25.00
20.00
15.00
10.00
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
ZONA 03
3.5
4.0
5.0
5.5
ZONA 04
6.0
7.5
8.0
6.5
ZONA 05
0.00
4.5
5.00
7.0
Desplazamiento Radial Ur / Umr
45.00
Distancia al Frente / Radio de la Labor (X/R)
PUNTO DE EQUILIBRIO CCT - CCS
CONV=20 mm
CONV=25 mm
CONV=30 mm
CONV=35 mm
CONV=40 mm
ESQUEMA N° 04
GRÁFICO N° 05-A
Determinación del Perfil de Deformación Longitudinal
de la labor,
A fin de conocer ¿A qué distancia del frente de
avance se alcanza la deformación total máxima?,
que a su vez es la deformación crítica de
sostenimiento en función al tiempo de autosoporte,
7
aplicamos el algoritmo de PANET descrito en
Ecuación (02) y evaluado en el GRÁFICO N° 04, los
a su vez fueron contrastados con el Criterio de
7
PANET considerando un estado de esfuerzos planos a
determinado la presión radial ficticia sobre el perímetro de la
excavación para el intervalo
, el desplazamiento
radial dentro del dominio elástico a cierta distancia d del frente es:
ur (d) = λ(x) · ue
El GRÁFICO N° 04, nos muestra que la deformación
longitudinal tiene tres zonas notorias que en función
a la envolvente de falla ilustrada en el GRÁFICO N°
05-A, determinan las siguientes áreas críticas:
8
Curva Característica del Terreno, que según PERNIA es aquella
relación entre la variación del esfuerzo radial que actúa sobre un
punto del perímetro de la excavación subterránea, en función de la
deformación que se produce en ese punto del perímetro de la
masa rocosa
6
1) Puntos 2 y 7 (ZONA A) Las tensiones han cambiado
y la presión a disminuido por la generación de
desplazamiento
estando
marcadamente
muy
cercanos a la envolvente de falla.
2) Puntos 3 y 4 (Zona B) Presencia de zona intermedia
y próxima a la envolvente de falla.
3) Punto 5 (Zona C) Existencia de interacción del
terreno con el sostenimiento, su estado de esfuerzo
corresponde a una condición más estable, ya que el
esfuerzo vertical disminuye, sin embargo el esfuerzo
cortante se hace más pequeño retirándose de la
envolvente de falla, momento éste en que se
consigue el equilibrio, Los resultados modelados a
través de las estaciones de convergencia instalados
en CMHSA determinan, los rangos siguientes:
Longitud Perno (L)
=
Espaciamiento Pernos =
2.13
1.50
m.
m.
Presión natural antes de la excavación
(06)
Resistencia sin confinar del macizo rocoso
(07)
Módulo de Young Terreno (E).- Utilizando la (04),
tenemos.
TABLA N° 01
DISTANCIA "D" DONDE SE OBTIENE LA DEFORMACIÓN TOTAL
= 16.73 MPa.
TIPO DE ROCA
SECCIÓN TÍPICA
III
IV
Desplazamiento radial correspondiente a la parte
lineal de la CCT.
3.50 X 3.50
4.50 X 4.50
(08)
En la TABLA N° 02, se consolida el nivel de
incidencia de la falta de oportunidad de
sostenimiento en las labores de desarrollo.
TABLA N° 02
mm.
Relación de estabilidad de la excavación VS
Deformación de la excavación, según Hoek
NIVELES DE INCIDENCIA DE LAS LABORES SIN SOSTENIMIENTO OPORTUNO
TIPO DE LABOR
RAMPAS
CRUCEROS
RAMPAS BASCULANTES
GALERIAS
TIEMPO EN HORAS
SIN SOPORTE
FRECUENCIA HORAS
38%
64.60
27%
44.80
08 A 12
22%
56.25
10%
36.78
AUTOSOPORTE (Hrs)
(09)
NIVEL DE
CRITICIDAD
5
8
6
8
Módulo de Elasticidad Shotcrete
Por lo que se hace necesario determinar la
deformación óptima admisible para la instalación del
sostenimiento correspondiente a través de CCTCCS, por tanto, para la condición más crítica de
macizo rocoso de CMHSA, es como sigue:
(10)
MPa
Cálculo de la Rigidez del Shotcrete
(11)
Parámetros de Diseño:
Ancho de la labor
Macizo Rocoso (RMR)
Módulo de Poisson
Resist. Compresión
Radio de la Labor
Cohesión
Profundidad labor
Espesor de Shotcrete
=
=
=
=
=
=
=
=
4.5 x 4.5 m.
35
0.35
28.00 MPa
6.00
m.
0.125
400
m.
0.075 m.
MPa
Cálculo de la Rigidez del Bulonaje
(12)
7
(13)
Desplazamiento radial cuando la presión radial es
igual a cero:
MPa.
Además del Esquema N° 01, se puede observar que
la Presión de Sostenimiento en el Punto de equilibrio
Terreno-Sostenimiento es
.
(19)
Reemplazando valores tenemos:
Cálculo de la Presión de Sostenimiento
Ps = Presión de sostenimiento del hormigón lanzado
+ Presión del sostenimiento del Bulón.
Partimos de la premisa de que sólo el
shotcrete actuará como elemento de
sostenimiento.
Presión Crítica de tránsito entre la elasticidad y
plasticidad
(20)
(14)
Desplazamiento radial en el punto de instalación del
sostenimiento
Desplazamiento máximo con sólo shotcrete
(15)
(21)
Donde:
En el caso de que sólo actuara como elemento de
sostenimiento el bulonaje, tenemos:
(22)
(16)
Por tanto, el desplazamiento máximo que soportará
el bulón se obtiene cuando:
(17)
m.
m.
Cálculo de
De lo hallado, se determina que la deformación
crítica de diseño será la del shotcrete. Bajo estas
condiciones la Presión Máxima de sostenimiento
será:
(23)
m
(18)
CARACTERIZACIÓN EXPERIMENTAL
Determinación del F.S.
Comprendiendo los niveles de deformación hallados
en las ecuaciones (15) y (17), se hizo necesario
8
determinar ¿cuál era la deformación perimetral del
macizo rocoso excavado?, para lo cual planteamos
evaluar dicha condición tanto por tipo de labor de
avance excava sujeta al tipo de roca dominante. Se
instalaron
65
Estaciones
de
Puntos
de
9
Convergencia , cuyos resultados a nivel de
deformaciones unitarias diaris reflejaron, lo siguiente:
a) Rampa principal=0.18 mm/día; b) Crucero=0.074
mm/día, c) Galería=0.20 mm/día y d) Rampa
Basculante=0.17 mm/día, tal como se visualiza en el
GRÁFICO N° 06.
la pérdida de anclaje entre la fibra y el hormigón, la
que estaría en función a la ecuación siguiente:
(24)
CONTRIBUCIÓN DE LA FIBRA
10
El ACI-544.2 R , establece que la contribución de
la Fibra al comportamiento estructural del Hormigón
fibroreforzado, viene expresada por el siguiente
algoritmo:
GRÁFICO N° 06
(25)
NIVELES DE DEFORMACIÓN (mm/día) SEGÚN TIPO DE LABOR Y CALIDAD
DEL MACIZO ROCOSO
Donde:
0.250
m
m
/
d
í
a
0.200
B : Valor máximo de carga que admite la fibra,
11
asimismo BARRAGÁN , precisa, que las variables
de B están correlacionadas con:
0.150
0.100
0.050
0.000
RAMPA PRINCIPAL
CRUCERO
GALERÍA
RAMPA BASCULANTE
RMR =25 -30
0.018
0.074
0.195
0.170
RMR =31 -35
0.012
0.058
0.076
0.170
RMR =36 -40
0.010
0.049
0.053
0.170
La frecuencia de aparición de agrietamientos
significativos que son las respuestas post fisuración
de SHFR a las diferentes solicitaciones de carga,
manifestaron el siguiente comportamiento: a) Rampa
Basculante=51 días, b) Galería= 116 días, c)
Cruceros=687 días y d) Rampa Principal=550 días.
Si asociamos dichos agrietamientos a la vida útil o de
servicio de dichas labores concluimos que estos
niveles de respuestas del SHFR a nivel global
equivale al (50%) de la Vida de servicio de dichas
labores.
: Es la deformación que se produce al aplicar
cierto nivel de carga.
C,K, n=
: valores asociados al punto de inflexión de
la curva.
GRÁFICO N° 07
MONITOREO DEL GRADO DE "CRAQUELAMIENTO VISIBLE" DEL SHOTCRETE VS TIEMPO DE
EXPOSICIÓN POR TIPO DE LABOR Y MACIZO ROCOSO (días)
1400
1200
1000
DÍAS
800
47 %
600
41 %
400
200
0
43 %
67 %
RAMPA PRINCIPAL
CRUCERO
GALERÍA
RMR =25 -30
550
687
116
RMR =31 -35
664
787
142
88
RMR =36 -40
869
817
168
100
VIDA ÚTIL
1278
996
248
124
-200
RAMPA BASCULANTE
51
GRÁFICO N° 07 : MUESTRA EL PERÍODO EN QUE APRECEN LOS AGRIETAMIENTOS
SIGNIFICATIVOS DEL SHOTCRETE.
Dichos resultados, determinaron que la solución al
problema del sostenimiento con SHFR aplicado en
CMHSA, radicaba en interpretar de manera
adecuada el comportamiento de la deformación
(efecto post fisuración) gobernada por el
comportamiento de flexotracción de la fibra que viene
acompañada por la fase de descarga que representa
9
La máxima capacidad de carga admisible se obtiene
para una deformación unitaria igual a 33 mm que
será para CMHSA la mínima admisible, tal como se
puede visualizar en el GRÁFICO N° 08, lo que es
corroborado con el ESQUEMA N° 05 donde se
10
MEASUREMENT OF PROPERTIES OF FIBER REINFORCED
CONCRETE.
11
DRAMIX, BECKAERT (1998) design guidelines for Dramix Steel
wire fibre reinforced concrete,dimensión el valor de
, cuya investigación pretendió determinar el concepto físico
del factor B, el mismo que está relacionado con la cuantía y el tipo
de fibra utilizada.
Las estaciones de convergencia consistieron en la instalación de
9
puede advertir la gran importancia de cuantificar el
factor B en función a la cuantía y tipo de fibra a ser
utilizado.
154% (1245 Joules) y 40 Kg/m³=196% (1463 Joules),
tal como se ilustra en el GRÁFICO N° 10, cuya
interpretación evidencia que el SHFR de CMHSA se
ajusta al Modelo DUPONT y VANDERVALLE
ilustradas en el GRÁFICO 3-D.
GRÁFICO N° 08
GRÁFICO N° 10
GRAFICO FUERZA VS. DEFORMACION - FIBRA METALICA - 20 - 30 y 40kg/m3
DIAGRAMA CARGA-DEFORMACIÓN PARA FIBRAS TRACCIONADAS
CON DIFERENTES VALORES DE B
100
DATOS DE ENSAYOS
90
1.- Curvas de Absorcion de Energia a los 28 Dias
120
2.- Energia Requerida para 20 kg =800 Jolule
100
B=10
80
3.- Energia Requerida para 30 kg =1000 Jolule
4.- Energia Requerida para 40 kg =1200 Jolule
70
5.- Energia alcanzada F/M 65/35 20 kg /M3 = 744 Joule
6.- Energia alcanzada F/M 65/35 30 kg /M3 = 1245 Joule
7.- Energia alcanzada F/M 65/35 40 kg /M3 = 1463Joule
B=20
CARGA (%)
B=40
B=60
B=80
B=100
Fuerza (KN)
80
60
60
50
40
40
30
20
20
10
90
84
78
72
66
60
54
48
42
36
30
24
18
6
12
0
0
DEFORMACIÓN UNITARIA (mm)
0
5
10
15
20
25
30
35
Deformación (mm)
F/ M - 65/35 (20KG)
F/M - 65/35 (30KG)
F/M - 65/35 (40KG)
CUANTÍA DE LA FIBRA
La función que modela éste comportamiento es de
carácter exponencial y está en función directa al
factor de forma
de la fibra, resultados que
responden a la resolución simultánea de los
algoritmos siguientes.
La descripción del GRÁFICO N° 10 con fines de
evaluar el comportamiento estructural del SHFR,
determina que la resistencia a la que se produce la
primera fisuración responde al comportamiento de la
ecuación constitutiva siguiente:
(26)
(28)
27)
GRÁFICO N° 09
Assimismo,
las
Resistencias
Residuales,
correspondientes a los estados de fisuras
,
responden
al
evaluar
el
comportamiento de la siguiente ecuación constitutiva.
DOSIFICACIÓN DE FIBRA PARA UNA MISMA
EFECTIVIDAD
(29)
120
100
Resultados que se muestran en el GRÁFICO N°11,
en el que se puede apreciar que la primera fisuraestá
en anchos de grietas entre 14 a 20 mm, lo que
significa que al utilizarse la fibra del tipo HOOKE
existe un F.S =1.75, muy superior a los
80
KG/m³ 60
40
20
0
30
40
50
60
65
70
80
RELACIÓN DE FORMA (L/D)
FS=1.15
FS=1.15
FS=1.30
simulados en la formulación del diseño.
FS=1.45
El GRÁFICO N° 09, nos muestra que la dosificación
óptima deberá estar en el rango de
y
CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DEL SHFR
Las pruebas realizadas a lo largo del período de
estudio, demuestran que se logró incrementar la
energía de absorción para las diferentes
dosificaciones en los rangos siguientes: 30 Kg/m³=
10
GRÁFICO N° 12
GRAFICO N° 11
MONITOREO DEL GRADO DE "CRAQUELAMIENTO VISIBLE" DEL SHOTCRETE VS TIEMPO DE
EXPOSICIÓN POR TIPO DE LABOR Y MACIZO ROCOSO (días)
ANCHO DE GRIETAS GENERADOS POR
CARGA APLICADA
1400
1200
1000
DÍAS
800
Ancho de grietas (mm)
14.000
60 %
600
72 %
400
12.000
200
10.000
0
8.000
6.000
4.000
54 %
78 %
RAMPA PRINCIPAL
CRUCERO
GALERÍA
RMR =25 -30
692
777
150
89
RMR =31 -35
844
936
180
107
RMR =36 -40
1168
907
192
105
VIDA ÚTIL
1278
996
248
124
-200
2.000
RAMPA BASCULANTE
0.000
2.6
2.7
2.8
2.8
2.8
3.1
3.3
3.4
3.9
4.1
4.4
f1f (Mpa)
CTODo (mm)
3CTODo (mm)
5.5CTODo (mm)
10.5CTODo (mm)
ANÁLISIS DE RESULTADOS
1. Producto de la investigación resulta, que: 1) La
malla electrosoldada a nivel de sostenimiento
conjunto con el SHFR no tiene aporte estructural
12
significativo , por lo que mediante pruebas de
campo y validaciones a nivel de laboratorio
determinan que para relaciones de aspecto de la
fibra
, y para dosificaciones de fibra
entre 30Kg/m³ y 40 kg/m³, se obtienen energías
de absorción entre
(Joules), que
permiten CONTROLAR LAS DEFORMACIONES
DEL MACIZO ROCOSO y así operar la mina de
manera eficiente.
2. El Planeamiento de las operaciones unitarias de
avance, responden a gestionar de manera
adecuada las respuestas de interacción terrenosostenimiento, a través de deformaciones del
orden de:
Shotcrete =
m.
13
Perno de anclaje =
,
3. Que, el ancho de agrietamiento del shotcrete
evidencie rangos <33mm, que permiten tener un
F.S=1.58 significando un decremento en los
volúmenes de RESANE de shotcrete del orden
del 34%.
GRÁFICO N° 12 : EL INCREMENTO DEL TIEMPO DE APARICIÓN DEL CRAQUELAMIENTO, LO QUE
SIGNIFICA MEJOR CALIDAD DEL SHOTCRETE Y MAYOR VIDA ÚTIL DEL MISMO
4. Que, es factible realizar labores de minado en
avance controlando la deformación del macizosostenimiento, y para CMHSA el Punto de
equilibrio significa
, Para un tiempo
de autosporte
, evaluado bajo el
concepto de la ecuación (21).
5. En la actualidad el índice de consumo de malla
electrosoldada para todas nuestras operaciones
de avance haya disminuido en su totalidad.
6. El índice de productividad (mts/día) signifique un
incremento del orden del 42% añadido a ello, los
índices de frecuencia y severidad atribuidos al
sostenimiento hayan disminuido ostensiblemente
en CMHSA.
7. Es
factible
controlar
la
RIGIDEZ
del
sostenimiento, mediante la colocación de dos
capas de shotcrete: a) Primera Capa con
RIGIDEZ mayor, b) Segunda Capa con RIGIDEZ
menor, estando ésta a una distancia
del tope de la labor, congruente con lo descrito en
el GRÁFICO N° 05-A.
PANEL FOTOGRÁFICO
FOTO N° 01
Se puede observar que ya no se utiliza en las
intersecciones la malla electrosoldada.
12
Entiéndase que su aplicación responde al contexto de
operaciones de CMHSA.
13
Pernos HYDRABOLT
11
FOTO N° 02
FOTO N° 04
Grandes labores de avance sostenidas con SHFR en
las intersecciones se aplica doble capa= Primera de
02 pulg y la Segunda una capa de 01 pulg, se
refuerza con Pernos HYDRABOLT de 07 pies.
Ahora se utiliza equipos de mayor tonelaje para el
carguío y extracción de mineral, así como para la
supervisión se cuenta con movilidad adecuada.
LISTADO DE VARIABLES
FOTO N° 03
: Desplazamiento radial a la distancia d (m)
La utilización de equipos de sostenimiento de última
generación MIXER y ROBOT fabricados en CMHSA,
note la ulización de precintos como elemento de
control para la aplicación de la segunda capa de
shotcrete.
: Carga Litoestátiva (MPa).
: Relación de esfuerzo vertical/horizontal.
: Esfuerzo vertical (m).
E
: Módulo de Young (MPa).
RMR
: Rock Massing Rating.
: Esfuerzo a la compresión (Mpa).
: Relación unitaria de deformación.
12
: Relación geométrica.
: Cuantía de la fibra (%).
: Relación de forma de la fibra.
: Primera fisuración del SHFR (mm).
: Ancho de Fisuramiento (mm).
: Tensión de Corte terreno (MPa).
CTOD : Nivel de Fisuramiento (mm).
BIBLIOGRAFÍA
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y
BROWN
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SUBTERRÁNEAS EN ROCA” Mc GRAW HILL
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Concrete for Structural Design”, PhD Thesis,
Delft University of Technology, Deft, 2000.
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Descarga Presa Cuchoquesera-Ayacucho” Tésis
de Grado-Ingeniería Civil – 2000.
6. CMHSA – Estudios de Laboratorio de Concreto
2011-2012.
13